摘要
燃煤小锅炉伴有火炕一直以来是中国北方农村地区的取暖方式，在能源日趋短缺和环境问题日益严重的今天，这种传统的取暖方式已难以满足节能减排的要求和人们生活水平提高对热舒适性的高要求。近几年，在煤改电、煤改气等国家多项政策的鼓励下，农村地区涌现出了多种多样的取暖方式。然而，如何在尊重农民生活方式的基础上，既满足其对热舒适性的需求，又达到节能减排的要求，将是今后农村供暖中迫切需要解决的一个问题。本文结合北方农村地区的实际情况，研究设计了一种以太阳能为主要热源、辅以电加热的相变蓄热式炕。 北方农村地区太阳光照充足，视野开阔无遮挡物，对太阳能的利用有先天优势。白天以太阳能为热源，利用炕体内填充的相变材料将热量储存起来，夜间再将储存的热量向人体和房间释放。相变材料和炕体结构直接影响到炕体蓄放热的时间和炕面温度的变化；太阳能集热端的选择又会影响到炕体的蓄热热量。因此，本文就相变蓄热材料的选择、炕体的结构优化、太阳能集热端的优化计算进行了研究。论文的主要内容如下： （1）石蜡作为相变材料，性能稳定、不会产生过冷现象和相态分离，同时价格低廉。结合人体热舒适性对相变温度的要求，选择了30号石蜡作为蓄热材料。而针对石蜡导热性差的问题，选择在石蜡中复合高导热性的膨胀石墨。通过对石蜡、膨胀石墨和两者间的复合相变材料进行表征，发现新型复合材料仅由石蜡和膨胀石墨发生物理吸附得到，相比纯石蜡在蓄热量略有减少的情况下导热性能得到了大幅增加。通过温升实验发现，膨胀石墨质量分数为3%的复合相变材料具有较好的传热性能。 （2）建立相变蓄热炕体二维非稳态传热模型。利用Fluent对不同管径和管间距下的炕面温度进行模拟，通过比较分析得出管径和管间距对炕面传热的影响，优化了炕体结构参数，并为后期实验提供理论基础。 （3）选择前期模拟结论中的最佳管径和管间距，在不同供水温度条件下进行实验，分析炕面在加热阶段和放热阶段的热稳定性，得到供水温度40℃时为最佳工况。根据农村地区火炕的结构进行物理建模，通过对炕体的结构和材料、烟道形式、烟气温度及其分布等参数进行分析，并将炕体部分从整个房间中分离出来，单独进行数值模拟，得到传统火炕在一天24h内炕面温度的变化情况。以供水温度40℃时的运行工况数据与火炕进行对比分析，论证了相变蓄热炕在热舒适性方面比火炕更优。 （4）利用TRNSYS对太阳能集热端进行热效率模拟。通过实验时相变蓄热炕的进水温度和瞬时回水温度计算热负荷，对太阳能集热器和水箱进行选型，建立集热端系统仿真模型，仿真计算得到太阳能作为热源的逐月保证率。并以此为基础，对比利用化石能源进行供热的火炕，在一个供暖季周期内（10月份到来年4月份）节约能源折合标准煤140.89kgce，减少CO2排放量345.18kg，减少各类污染气体排放总计224.73kg。
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